Les cellules solaires à base de a-Si:H et µc-Si:H sont issues de la technologie de couches minces en silicium (Thin-Film Silicon). Dans cette technologie, on distingue essentiellement deux configurations de cellules solaires à savoir :
- les structures de type p-i-n ou encore appelée configuration « superstrat » ; - les structures de types n-i-p ou encore appelée configuration « substrat ». L’appellation de structure p-i-n ou de structure n-i-p rend compte de l’ordre dans lequel les différentes couches composant les cellules solaires sont empilées sur le substrat lors du processus de fabrication. Dans ces structures, seul le matériau actif d’un point de vue photovoltaïque est la couche intrinsèque (i). En effet, l’absorption de la lumière et la photogénération des porteurs ont lieu principalement dans cette
couche appelée couche active ou absorbeur. Quant aux couches dopées, elles servent à établir le champ interne à travers la couche active. Ce champ doit être suffisamment fort afin de garantir la collecte des porteurs photogénérés. Son intensité dépend à la fois du niveau de dopage des couches dopées et de l’épaisseur de la couche active. D’autre part, les couches n et p permettent d’assurer un bon contact électrique à faible perte ohmique entre la cellule et les électrodes externes. Il est également nécessaire de réduire au mieux leur épaisseur afin de minimiser les pertes optiques et électriques dans la cellule solaire [39].
3.1.1 Structure des cellules solaires à simple jonction
Les cellules solaires en couches minces de silicium utilisent une large variété de substrats [39]. Dans la configuration « superstrat », la cellule solaire à simple jonction p-i-n à base de a-Si:H (cf. Figure 3.1a) ou de µc-Si:H (cf. Figure 3.1b) est déposée sur un substrat en verre ou tout autre matériau transparent. Ce dernier recouvert d’une couche d’oxyde conducteur transparent ou TCO (Transparent Conductive Oxyde) constitue le contact avant à travers lequel la lumière pénètre en premier dans la cellule solaire. Substrat en verre <p> µc-Si:H <i> µc-Si:H (couche active) <n> µc-Si:H Contact métallique arrière
(Ag ou Al) TCO avant TCO arrière Spectre solaire AM1.5 Substrat en verre <p> a-SiC:H <i> a-Si:H (couche active) <n> a-Si:H
Contact métallique arrière (Ag ou Al) Spectre solaire AM1.5 TCO avant TCO arrière (b) (a)
Figure 3.1 – Structure d’une cellule solaire à simple jonction à configuration super-strat ou p-i-n à base de : (a) a-Si:H (b) µc-Si:H.
Quant au contact arrière de la cellule, il est formé d’un TCO arrière recouvert d’une métallisation généralement à base d’argent (Ag) ou d’aluminium (Al) [9]. Cette métallisation sert de contact électrique (ou électrode) pour la cellule solaire
ou pour la mise en série de cellules solaires individuelles. D’autre part, elle fait office de miroir arrière permettant de réfléchir la lumière n’ayant pas été absorbée par la cellule lors de son premier passage. La réflexion de la lumière permet d’accroître la probabilité d’absorption des photons dans la couche active et ainsi d’augmenter sensiblement la densité de courant [62] et du coup le rendement de la cellule. Le TCO arrière agit comme une barrière anti-diffusion pour réduire les problèmes de contamination de la cellule dus à la métallisation arrière [80].
Dans la configuration « substrat », le substrat est opaque tel que l’acier inoxy-dable, l’aluminium ou certains films plastiques, et contrairement à la configuration superstrat, il constitue la face arrière de la cellule. Si le substrat utilisé est en film plastique, comme illustré à la Figure 3.2, le dépôt successif des couches semiconduc-trices n,i et p s’effectue après avoir déposé sur le substrat un contact arrière formé d’une couche de métallisation en Ag (ou Al) et d’une couche de TCO. De plus, pour assurer une bonne adhésion avec le substrat, une couche de chrome (Cr) est déposée avant la métallisation [9].
<p> a-SiC:H <i> a-Si:H (couche active)
<n> a-Si:H
Contact métallique arrière (Ag ou Al)
Spectre solaire AM1.5
TCO avant
TCO arrière
Substrat en film plastique Chrome (Cr)
Substrat en film plastique <p> µc-Si:H <i> µc-Si:H (couche active)
<n> µc-Si:H Contact métallique arrière
(Ag ou Al) TCO avant TCO arrière Spectre solaire AM1.5 Chrome (Cr) (a) (b)
Figure 3.2 – Structure d’une cellule solaire à simple jonction à configuration substrat ou n-i-p à base de : (a) a-Si:H (b) µc-Si:H.
En revanche, si le substrat est un matériau suffisamment conducteur tel que l’acier ou l’aluminium, il est possible de déposer la jonction n-i-p directement sur le substrat sans avoir recours à une métallisation ou un TCO arrière [80]. Cependant, cette alternative ne permet pas de connecter les cellules entre-elles pour en faire un module et d’autre part, si le substrat possède de faibles propriétés optiques, il faut s’attendre à une réduction substantielle du courant débité par la cellule (diminution
de la réflexion et de la diffusion de la lumière) [62].
Toutefois, quelle que soit la configuration utilisée, superstrat ou substrat, la cellule solaire est toujours éclairée par sa face avant du coté p en raison de la faible mobilité des trous comparée à celle des électrons. En effet en éclairant par la face avant, il se crée une photogénération de porteurs dans la couche active dont le taux au voisinage de l’interface « p-i » est le plus élevé. Par conséquent, le trajet moyen des trous photogénérés jusqu’à l’électrode est réduit, ce qui permet de rendre leur collecte beaucoup plus efficace dans les cellules solaires [39]. En effet, il a été démontré par Deng et Schiff en 2003, que les cellules solaires p-i-n à base de a-Si:H éclairées par leur face p affichaient les rendements de conversion les plus élevés [81].
3.1.2 Couche fenêtre dans les cellules solaires à simple
jonc-tion
La face avant de la cellule solaire à base de a-Si:H comporte une couche p en carbure de silicium amorphe hydrogéné (a-SiC:H) plutôt qu’une couche p en a-Si:H, comme cela est illustré à la Figure 3.1a et à la Figure 3.2a. En effet, cette dernière n’est pas appropriée aux cellules solaires à de base a-Si:H et cela pour les raisons suivantes [62] :
- la valeur du gap est insuffisante, ce qui peut engendrer des pertes optiques associées à l’absorption des photons dans la couche p ;
- la conductivité de la couche ne permet d’assurer un bon contact avec le TCO avant de la cellule.
C’est au début des années 80 qu’un groupe de chercheurs de l’Université d’Osaka ont montré que la couche p-a-Si:H pouvait être remplacée avantageusement par une couche p-a-SiC:H dans une cellule solaire. Ils ont en effet observé que la cellule présentait de bien meilleures performances et une bonne réponse spectrale dans la région bleu du spectre visible [82]. Dès lors, la couche p carbonée est utilisée en guise de couche supérieure, communément appelée « couche fenêtre », dans les cellules solaires simples jonction et à multijonctions. Elle est en fait caractérisée par un gap optique plus large lui permettant de transmettre un plus grand nombre de photons à la couche active de la cellule et il en résulte une augmentation du rendement de conversion photovoltaïque [83]. Une couche fenêtre idéale est caractérisée par une concentration de porteurs plus élevée que celle de la couche active, une faible résistivité et une mobilité des porteurs élevée [84].
Pour l’élaboration des couches p de a-Si1 – xCx:H, on introduit du gaz méthane
La lettre x représente la teneur en carbone dont la valeur varie linéairement entre
0,1 et 0,3 quand le rapport de débit CH4/(CH4+SiH4) augmente de 0,6 à 0,9. Il
se crée alors des liaisons fortes de Si-C au sein du réseau du silicium amorphe hydrogéné ayant pour effet un élargissement du gap presque linéaire de 1,7 eV à 2,3 eV avec x [64]. On assiste également à une augmentation de la densité des défauts avec la teneur en carbone affectant la photoconductivité. Néanmoins, ces défauts sont en partie compensées grâce au dopage des couches carbonées et il en résulte une amélioration de la durée de vie des porteurs et de la photoconductivité [82]. L’énergie
d’Urback des couches de a-Si1 – xCx:H est de l’ordre de 50 meV, elle augmente avec
la valeur du gap optique et se maintient à une valeur de 90 meV quand celui-ci est supérieur à la valeur de 2,1 eV [85].
L’interface p-i doit faire l’objet d’une attention assez particulière en raison de son influence sur les performances de la cellule solaire. Cette interface est en fait une hétérojonction où se produisent des décalages ou discontinuités (offsets en anglais)
de bandes de conduction (∆EC) et de bandes de valence (∆EV). La discontinuité
de bande de valence (∆EV) agit comme une barrière de potentiel pour les trous
photogénérés empêchant leur migration vers la région p. Comme le taux de géné-ration de porteurs à l’interface p-i est le plus élevé de la couche intrinsèque, il est nécessaire de corriger aussi bien la discontinuité de bande de valence que la disconti-nuité de bande de conduction afin d’optimiser le champ électrique dans cette région et d’empêcher une rétrodiffusion des électrons photogénérés vers la région p où ils peuvent se recombiner. En général, une couche mince à large gap, de haute qualité, intrinsèque ou faiblement dopé à base de a-Si:H ou de a-SiC:H est insérée à l’inter-face p-i [86]. Ces couches, appelées couches tampons ou buffers, permettent d’élargir
le champ électrique interne, et du coup d’améliorer la tension Vco et le facteur de
forme FF [87]. C’est ce que nous verrons plus en détails dans le chapitre 4.
En revanche dans les structures solaires p-i-n ou n-i-p à base de µc-Si:H, la couche p-µc-Si:H convient parfaitement à la cellule solaire microcristalline pour faire office de couche fenêtre. En effet, elle est caractérisée par une faible absorption optique dans la gamme des courtes longueurs d’onde du visible et par une faible énergie d’activation. Elle est de bonne qualité et possède une conductivité électrique élevée, ce qui permet de réduire les résistances séries dans la cellule solaire [88]. D’autre part, le problème de discontinuités à l’interface p-i ne se pose pas puisque celle-ci est une homojonction.
3.1.3 Principe de fonctionnement d’une cellule solaire à
sim-ple jonction p-i-n ou n-i-p
Comme nous l’avons mentionné dans le chapitre 2, le concept de jonction PN ne peut s’appliquer aux cellules solaires à base de a-Si:H (ou de µc-Si:H) en raison de la faible longueur de diffusion des porteurs minoritaires dans les couches dopées n et p. De ce fait, ces cellules solaires sont basées sur les structures p-i-n ou n-i-p dans lesquelles le mécanisme de transport dominant des porteurs est de type dérive. La couche intrinsèque intercalée entre les couches dopées n et p est la couche où a lieu principalement la photogénération de paires électron-trou quand la cellule est sous éclairement. Quant aux couches p et n, elles servent à établir le champ électrique à travers la couche intrinsèque qui permettra de séparer les porteurs photogénérés de sorte que les électrons iront migré vers la couche n et les trous vers la couche p où ils seront collectés par les électrodes. Les couches dopées permettent également d’assurer un bon contact ohmique avec les électrodes et leur épaisseur doit être la plus faible possible afin de limiter les pertes optiques [39].
En pratique, le champ électrique n’est pas uniforme dans la couche intrinsèque de a-Si:H. Son profil est fortement affecté par la densité des défauts présente dans cette région. L’intensité du champ électrique est plus forte au voisinage des interfaces « p-i » et « i-n » où est localisée une grande quantité de défauts alors qu’elle plus faible dans la couche intrinsèque. La distribution non uniforme du champ électrique affecte le transport des charges et les performances des cellules solaires [81].
La Figure 3.3a et la Figure 3.3b représentent les diagrammes de bande d’une jonction PN à base de c-Si et une jonction p-i-n à base de a-Si:H, respectivement. Ces diagrammes montrent la différence entre les deux cellules solaires, l’une de type diffusion et l’autre de type dérive.